Учёные Дюкского университета (США) создали первую в мире печатную электронную схему из полностью перерабатываемых тонкоплёночных транзисторов, в которых не использованы токсичные материалы. По рабочим характеристикам этот транзистор заметно уступает своим полупроводниковым аналогам, но даёт надежду на экологически чистое будущее для области электроники.
Источник изображения: Ella Maru Studios
Специалисты решили доказать сначала экологическую чистоту печати и переработки транзистора как наиболее сложного и ответственного элемента любой электронной схемы. Если получится с транзистором, то с резисторами и конденсаторами проблем не будет. К тому же, тонкоплёночные транзисторы являются основой одной из массовой сегодня продукции — дисплеев, которые тысячами тонн ежегодно выбрасываются на свалку. Важно было показать экологически чистую перспективу также для этого направления электроники, что с успехом было проделано.
Основная проблема в печатной электронике заключается в том, что тяжело сохранить многослойную конструкцию, когда слоёв много и они разной консистенции — всё так и норовит смешаться. Подобное легко осуществимо при использовании «серьёзной» химии, но когда за дело берутся экологи и в качестве растворителя берут только чистую воду — тут-то и возникают проблемы.
Для изготовления нетоксичных тонкоплёночных транзисторов в качестве изолирующего материала была взята древесная целлюлоза (наноцеллюлоза), для проводящей краски был использован графен, а для печати полупроводниковых слоёв учёные воспользовались раствором с углеродными нанотрубками. Это три базовых раствора «чернил» для печати транзистора и электроники в целом. Во всех случаях растворителем была чистая вода.
Главная трудность возникла с печатью полупроводниковых элементов. Помещённые в воду углеродные нанотрубки слипались и укладывались неравномерно. Вопрос решили добавлением в раствор поверхностно-активных веществ, но их использование требует либо финальной промывки печатного материала химическими реактивами, либо длительной сушки. Оба способа не являлись экологически чистыми и требовали коррекции.
В итоге учёные разработали техпроцесс, который предусматривает поэтапную печать многослойных электронных структур с кратковременными периодами сушки. Утверждается, что метод абсолютно экологически чистый и служит доказательством концепции совершенно нетоксичной и полностью перерабатываемой электроники. Часть сырья может быть безопасно утилизирована — это целлюлоза, а углеродные трубки могут извлекаться и заново пускаться в производство новых электронных схем.
«Производительность наших тонкоплёночных транзисторов не соответствует лучшим из ныне производимых, но они достаточно конкурентоспособны, чтобы показать исследовательскому сообществу, что мы все должны прилагать больше усилий, чтобы сделать эти процессы более экологичными», — говорят авторы исследования, которое было опубликовано в журнале Nano Letters.